针对我国每年数亿吨低品位难选强磁选精矿、中矿及伴生弱磁选铁物料分选利用的困难，近年来在俞永福院士的带领下，开发了数秒闪速磁化焙烧新技术，为微细粉状铁物料的直接处理开辟了新的有效利用途径， 并且在闪速磁化焙烧还原技术和初步工程技术方面做了许多开创性的研究工作[1-]。同时，与闪速磁化还原过程相关的许多基础工作需要在理论和实践上进行深入细致的研究。 本文以我国著名的难选红铁矿——酒钢镜铁山铁矿的含铁粉料为研究对象，采用穆斯堡尔谱(CEMS)结合X射线衍射(RXD)的方法，探讨了弱磁性铁矿物在闪速磁化焙烧过程中的固相转变、晶相转变和磁性变化，以掌握控制闪速磁化焙烧过程的操作参数。
一.实验
(1)试样及制备
样品取自酒钢镜铁山桦树沟矿的粉矿(15 ~ 0 mm)。闪速磁化焙烧前的试样为粉矿。磨矿(0.30 ~ 0 mm)后，经过粗选扫选，实现了“得精抛尾”后的中矿(JZ)，中矿产率为44.49%。闪速磁化焙烧后的试样为细中煤(JZ)，在专用的闪速磁化焙烧炉中于800℃弱还原气氛下焙烧30s[3-4]。
(2)测试方法
利用VSM振动样品磁强计测量焙烧前后样品磁矩与磁场强度的关系，以揭示物料闪速磁化焙烧后的磁性变化规律，分析物料的磁选性能。
XRD分析采用rigaku d/max-3c x射线衍射仪，采用Cu Kα辐射，石墨单色滤光片，步进扫描。测试参数:电压40kV，电流50mA，扫描速度15 /min，光散射狭缝DS: 1，接收狭缝RS: 0.30mm，散射狭缝SS: 1。
穆斯堡尔谱用德国牛津公司生产的MS500常规等加速谱仪测量。放射源为钯基57Fe。用厚度为25μm的α-Fe纯铁箔标定了谱仪速率，并用计算机拟合求解了光谱。
二。结果和讨论
(1)闪速磁化焙烧前样品的矿物学特征
葡萄酒矿石性质复杂，铁矿物嵌布细，脉石含量高。可分离回收的三种铁矿物为弱磁性镜铁矿、镁(锰)菱铁矿和褐铁矿；脉矿物主要为碧玉、应时、重晶石和铁白云石，围岩为千枚岩，多为铁千枚岩[5-6]。
镜质体以α-Fe2O3的形式存在，是一种铁黑色、有金属光泽的片状赤铁矿集合体。该晶体属于三方晶系氧化物矿物，具有类似刚玉的菱形晶体结构，空晶系RC；晶胞参数:a0 = 5.029 & Aring，c0 = 13.73 & Aring；α-Fe2O3的晶体结构的特征在于氧六边形的最紧密堆积，铁离子占据八面体间隙的三分之二。常温常压下，α-Fe2O3是一种宽带反铁磁绝缘体，可视为典型的Mott绝缘体。当温度低于Morin的温度(TM≈260K)时，其反铁磁序为沿冰下磁化方向的菱面体[111]晶轴[7-8]。
菱铁矿(FeCO3)。是菱面体晶格，晶体为菱面体、短柱状或部分三角形。空之间的组是Rc，a0 = 5.795 & Aring，a = 47° 45′；阳离子Fe位于八面体晶体位置，其化学成分中常含有Mg、Mn等杂质。对于菱铁矿的穆斯堡尔谱，最重要的是所有的铁都处于等价晶体位置。
而正常磁铁矿(Fe3O4)是混合价态的化合物，31.03% Fe2O3 68.97%% Fe2O3或含72.2% Fe和O27.6%% O的等轴晶系，单晶常为八面体，很少菱形十二面体。在菱形十二面体上，条纹往往出现在长对角线方向。四面体晶格完全被Fe离子占据，而八面体晶格一半被Fe2+占据，另一半被Fe3+占据。
(2)闪速磁化焙烧前后的磁性
矿物的比磁化强度x0(或比磁化率)是衡量矿物磁性强弱的重要物理化学参数，是判断各种矿物磁选可能性的重要依据。物质的比磁化系数与磁化强度和磁矩之间存在对应关系。在一定的磁化条件下，样品的比磁化系数越大，其物质的磁矩越大。选取闪速磁化焙烧后有一定铁产量级差的样品作为磁性能测量样品。磁分离管对磁性样品的分选结果如表1所示。闪速磁化焙烧前后的中矿(JZ)磁性能测量曲线分别如图1所示。
经过闪速磁化焙烧后，所有中矿(JZ-2 ~ JZ-4)的磁矩都明显增加。与比磁化强度x0的变化一样，样品表现出强磁性矿物的特征，磁矩的增加与磁选管的分选结果一致(见表1)，即样品的饱和磁矩越大，闪速磁化焙烧后磁选铁的产率越高，两者之间存在一定的相关性[7弱磁性铁材料主要转化为比饱和磁矩和比磁化系数较高的Fe3O4，磁选铁的产率与比饱和磁矩一致。
从闪速磁化焙烧前后磁性能参数的测量结果可以看出，焙烧后弱磁性材料的比饱和磁矩增加值比焙烧前提高了33 ~ 42倍，综合效果与磁选管的铁回收率一致。研究发现，当焙烧物料中弱磁选铁的产率相同时，如果物料中弱磁性铁矿物的种类和含量不同，样品的饱和磁矩测定值也不同。
(3)闪速磁化焙烧产物的XRD鉴定
用x射线衍射(XRD)研究了闪速磁化焙烧后铁矿物的变化和铁磁性物质的形成。焙烧前样品和闪速磁化焙烧后样品的X射线衍射分析结果见图2。
X射线衍射分析结果表明，焙烧前弱磁性铁物料中含铁矿物的特征峰主要有菱铁矿的特征峰，d=2.7819，d=3.5747，d = l.7244等。赤铁矿(酒钢样品为镜铁矿)的特征峰有α-Fe2O3，d=2.6929，d=1.6922，d=3.6743等。而褐铁矿的特征峰FeOOH不明显，但可以看到白云石的特征峰，如d = 2.8848焙烧前，样品中没有发现铁磁性铁矿物的特征峰，说明样品中没有铁磁性铁矿物或者含量很少。闪速磁化焙烧后，焙烧样品中有明显的铁磁性磁铁矿特征峰，磁铁矿特征峰尖而高，如d=2.5347，d=2.9722，d=2.1018，说明闪速磁化焙烧时产生了大量的铁磁性物质，结晶程度高。而同样具有强磁性的γ-Fe2O3的特征峰没有出现，菱铁矿的特征峰也没有出现。说明样品经过闪速磁化焙烧后，弱磁性铁矿物的闪速磁化焙烧过程被还原，转化为强磁性的Fe3O4。
(4)快速磁化焙烧前后样品的穆斯堡尔谱分析
典型样品闪速磁化焙烧前后的室温穆斯堡尔谱测试结果，以及用最小二乘法拟合的洛伦兹线光谱如图3所示；在室温下测量的快速磁化焙烧前后样品的穆斯堡尔参数如表2所示。
穆斯堡尔谱测试结果表明，闪速磁化焙烧前，样品的穆斯堡尔谱由一组双峰和一组六峰组成，铁矿物组成主要为菱铁矿(FeCO3)和针铁矿(Fe2O3)，矿物组成比为1: 3。样品经磁化焙烧后，其穆斯堡尔谱显示三组卦，其中两组卦非常明显。铁矿物主要是磁铁矿(fe3o 4)和少量赤铁矿，Fe2+和Fe3+原子价比为1: 9。表明以FeCO3为特征的菱铁矿在磁化焙烧过程中已完全转化为Fe3O4，表明FeCO3的磁化转化过程是按照化学反应快速进行的。而以Fe2O3为特征的针铁矿过程复杂，推测其磁化过程受多种作用控制。
分析表明，磁化焙烧还原Fe2O3的过程始于Fe2O3表面能值最有利的地方，颗粒表面的化学反应造成了各种组分的浓度梯度，多余的原子在Fe2O3表面堆积。反应中发生的是铁原子的扩散，还原过程是从高价铁向低价铁进行的，但并不是所有的高价铁都能在粒子深部被还原[7，10-11]。
(5)快速磁化焙烧过程中的相变机理
从穆斯堡尔谱和XRD可以看出，在实验条件下，以FeCO3为特征的菱铁矿按照化学反应快速进行。从不同颗粒的显微观察中还发现，在煅烧样品的少数颗粒中，外围煅烧完全，而中心部分煅烧不完全。如图4所示，某一针铁矿颗粒经闪速磁化焙烧后，部分针状针铁矿作为交代残渣分布在人工磁铁矿的集合体中；这一点也从闪光磁化烘烤产品的SEM照片中得到验证，即光片的突出部分是Fe2O3 [4]，见图5。因此，Fe2O3的磁化转变过程除了化学反应外，还具有扩散效应。
根据未焙烧颗粒的粒度分析，主要控制过程应该是扩散，但磁化焙烧转化率的规律性不能从单个颗粒的表观粒度得到，这也可能与单个颗粒的孔隙率和闪速磁化焙烧时颗粒的流态化状态有关。
三。结论
(1)酒钢公司粒度为- 0.30mm，富含镜质体、褐铁矿和镁(锰)菱铁矿的耐火铁粉，经闪速磁化焙烧后，全部转化为比饱和磁矩和比磁化系数较高的Fe3O4，出铁率与比饱和磁矩一致，其比饱和磁矩附加值比焙烧前提高了33 ~ 42倍。
(2)焙烧前穆斯堡尔谱显示由四级双峰菱铁矿(FeCO3)和六指峰镜质体(Fe2O3)组成，矿物组成比为1:3；焙烧后穆斯堡尔谱显示三组卦，两组卦非常明显。铁矿物主要是磁铁矿(Fe3O4)，但有少量赤铁矿。Fe2+和Fe3+原子价的比例是1: 9。
(3)多种测试表明，样品经焙烧后全部转化为铁磁性矿物Fe3O4，未发现强磁性的菱铁矿和γ-Fe2O3，但可见少量未完全转化的赤铁矿(即镜铁矿)。Fe2O3的磁化转变过程根据化学反应快速进行。但Fe2O3的磁化过程受扩散等效应控制，影响因素复杂。
参考
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